Но и, помимо атомарного топлива, далеко не все еще ресурсы химии, не все возможности химических топлив уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, достигнутую в настоящее время, примерно на 50 процентов. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.
Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.
Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.
Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.
Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов — на 5 тонн.
Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.
Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.
Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.
Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.
Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.
Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.
Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.
Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.
Часть третья
ШТУРМ МИРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
…Расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой.
М. Горький
Глава 9
АТМОСФЕРА — ПАНЦИРЬ ЗЕМЛИ
Мы обычно не задумываемся над тем, как многим обязаны в своей жизни окружающей нас атмосфере.
При отсутствии атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Содержащийся в атмосфере кислород необходим для жизнедеятельности любого организма. К счастью, в ней находится огромное количество кислорода, которое все время пополняется растениями. Превращенный в жидкость, кислород атмосферы покрыл бы Землю сплошным слоем толщиной 2,2 метра!
Окружающая нас атмосфера нужна нам не только как источник кислорода. Она обеспечивает и исключительно благоприятные условия для жизни на Земле. Мощный слой атмосферы защищает жизнь, бурлящую на поверхности Земли, от непосредственного сурового воздействия бескрайнего мирового пространства, в котором ничтожной песчинкой плывет наша планета.
В мировом пространстве царит жесточайший холод: температура тела, находящегося в мировом пространстве на большом удалении от звезд — например, на таком, как одна звезда от другой, — была бы близкой к абсолютному нулю, то есть около минус 273°. Только тепловое излучение далеких звезд повысило бы температуру этого тела на несколько градусов по отношению к абсолютному нулю. Не будь атмосферы, температура земной поверхности, не обращенной к Солнцу, достигала бы минус 160°, а под палящими солнечными лучами превышала бы плюс 100°. Именно такие условия существуют, например, на Луне. Каково было бы нам жить на столь неуютной планете?.
Атмосфера, укутывающая Землю как бы толстым пуховым одеялом, служит мощным теплоизоляционным экраном. Но атмосфера — это особый, «хитрый» экран, и ни одно пуховое одеяло с ним сравниться не может. Она пропускает солнечные лучи, мчащиеся к Земле, когда светит Солнце, но не позволяет Земле расстаться с полученным ею теплом, рассеять его в мировом пространстве, когда Солнце заходит. Благодаря атмосфере земная поверхность не подвергается такому резкому охлаждению, а суточные колебания температуры на ней оказываются сравнительно небольшими. Мы живем на Земле как бы внутри гигантского термоса хитроумной конструкции, пропускающего тепло в одну сторону и не пропускающего в другую. И страшно подумать, что было бы без этого «термоса»!
В результате неравномерного нагревания атмосферы в ней возникают воздушные течения и ветры. Энергия ветра с древних времен служит человеку. Благодаря воздушным течениям происходит выравнивание температуры в атмосфере, переносятся с места на место облака и тучи, проливаясь благодатным дождем над колосящимися нивами, создавая круговорот воды, столь необходимый человеку. Атмосфера — это та среда, в которой зарождается земной климат со всеми его особенностями.
Но атмосфера — не только тепловой экран, и не одни только тепловые явления происходят в ней. Наряду с тепловыми лучами Солнце шлет на Землю в изобилии и так называемые ультрафиолетовые лучи. Именно под действием этих лучей наша кожа приобретает тот замечательный бронзовый цвет, который мы называем загаром. Однако некоторая часть ультрафиолетовых лучей вместо пользы может причинить вред. И здесь снова невидимым защитником всего живого выступает атмосфера: она поглощает вредную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы поток этих лучей достигал земной поверхности неослабленным, то жизнь на ней, вероятно, была бы невозможной.
Не только от излучения Солнца защищает нас земная атмосфера, смягчая и ослабляя его, отфильтровывая и поглощая вредные лучи. Наука установила, что к нам на Землю со всех сторон из мирового пространства мчатся особые лучи, получившие название космических.
Космические лучи в действительности представляют собой потоки частиц вещества, главным образом ядер атомов водорода, а также гелия и некоторых других химических элементов. Эти частицы мчатся с огромной скоростью. Их энергия в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при распаде атомов урана. Если бы не было земной атмосферы, принимающей на себя эту страшную бомбардировку, то не исключено, что неослабленные космические лучи, врываясь в человеческий организм, могли бы причинить ему большой вред.[25]
Однако эти невидимые стремительные снаряды не достигают земной поверхности — они гибнут в атмосфере, сталкиваясь с атомами составляющих ее газов и рассеивая в ней свою энергию. Лишь «внуки» и «правнуки» частиц, врывающихся в атмосферу, достигают дна воздушного океана — обломки ядер тех атомов, с которыми сталкиваются эти частицы в атмосфере. Энергия частиц, достигающих земной поверхности и пронизывающих не только нас с вами, но и самую Землю на глубину в десятки и сотни метров, огромна, но все же она неизмеримо меньше энергии исходных, первичных частиц. Интенсивность космических лучей у поверхности Земли такова, что они не представляют опасности для людей, и этим мы тоже обязаны земной атмосфере.
Земная атмосфера защищает нас не только от действия смертоносных лучей и бомбардировки невидимыми частицами — мировое пространство бомбардирует Землю и более существенными «снарядами»: небесными камнями — метеоритами. Многие миллионы таких снарядов врываются каждую минуту в земную атмосферу со скоростью в десятки и сотни тысяч километров в час. Это во много раз больше, чем скорость снаряда, вылетающего из ствола артиллерийского орудия. Правда, размеры подавляющего большинства таких снарядов очень невелики — они подобны крохотным песчинкам, но при огромной скорости и песчинки становятся опасными. Если бы не атмосфера, в которой большинство небесных камней разрушается и сгорает, то один только такой каменный «дождь» сделал бы жизнь на Земле невозможной или, по крайней мере, очень опасной.
Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!
А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!
Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния — всем этим мы обязаны земной атмосфере.
Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет — то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет межпланетного корабля, он должен пересечь земную атмосферу, пробить этот «панцирь», преодолеть трудности, связанные с очень быстрым полетом в воздухе. Еще большие трудности ждут корабль при его возвращении на Землю.
Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать — вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля.
Земная атмосфера, то есть воздушная оболочка Земли, простирается на огромную высоту. Однако нельзя сказать точно, где кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.
С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе
14
/15 всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.
Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, — в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества — в нем плавают отдельные молекулы и атомы.
В среднем в 1 кубическом сантиметре этого пространства находится 2–3 атома водорода, который является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Имеются атомы и других веществ, но в значительно меньших количествах — на каждую тысячу атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия, второго по распространенности элемента, по 10 атомов приходится вместе на кислород, углерод, азот, неон и по 2–3 атома вместе на другие элементы, такие, как железо, калий, кальций, кремний, магний и пр. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу — она может быть только условной.[26]